高速公路巖溶隧道地質特征對施工安全的影響分析

李季暉

摘要 為保證高速公路巖溶隧道的安全施工，需精準分析巖溶地質特性及該特性對隧道施工安全的影響，因此，文章以某地區高速公路隧道工程為例，展開相關研究和分析。對研究工程的地質情況進行相關勘察，確定巖溶類別、位置、大小以及數量等，并結合勘察結果，分析巖溶發育特征；以特征分析結果為依據，采用FLAC3D軟件建立隧道工程計算模型，分析巖溶特征對隧道開挖受力分布的影響以及巖溶對隧道極限剪應力的影響，為該類工程施工提供可靠、合理依據。

關鍵詞 高速公路；巖溶隧道；地質特征；施工安全；影響分析；極限剪應力；開挖受力

中圖分類號 U452文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0096-04

0 引言

巖溶是水對可溶性巖石進行化學溶蝕后形成的一種地質形態，我國是世界上巖溶分布面積最廣的國家之一，巖溶區域的地質條件尤為復雜[1]，增加了隧道施工的安全風險。如果隧道工程和巖溶發育區毗鄰，則會降低隧道圍巖的完整性[2]，其主要原因是隧道工程區域的地下水在流動過程中會對周圍圍巖進行長期侵蝕，導致隧道工程發生懸空現象[3]，并且巖溶發育的范圍內，結構作用力較為復雜，變形控制難度較大[4]，甚至會導致隧道工程發生坍塌下沉以及嚴重的巖溶塌陷，極大程度降低隧道工程支護體系的安全性[5]。因此，為保證高速公路隧道工程的施工安全和質量，在分布巖溶地質的環境下施工時，須精準掌握巖溶地質特性[6]，并針對該特性分析巖溶對施工安全的影響水平，及時采取相應的處理措施，進而為隧道工程設計和施工提供可靠參考和理論支撐[7]。

文中以某地區的高速公路隧道工程為例，研究巖溶隧道的地質特征對施工安全的影響。

1 工程概況

該隧道工程位于我國廣西的中西部地區，該地區分布大量的石灰巖山峰，通過地表進行巖溶勘測的可靠性較低，因此，隧道施工時極易遇到巖溶地質，存在較高的施工安全風險。該隧道工程設計時速為120 km/h，為單洞雙線設計，隧道全長為1 316.8 m，最大埋深接近115 m，隧道入口和橋梁工程相連接，隧道出口和路基相連接。隧道內部線路縱坡為1 220 m的1.85%單面下坡，以及96.8 m的平坡。

該隧道工程的整個洞身均通過溶巖底層，并且巖溶發育明顯，從地表即可看見溶洞、巖溶漏斗以及落水洞發育；除此之外，隧道內地下水主要為空隙潛水、巖溶水以及基巖裂隙水，因此，導致隧道施工過程中主要存在危巖落石、涌水突泥、塌方等風險。

隧道施工時，通過鉆探勘測出的溶洞數量已經達到115個，其大小、位置、形態等均存在顯著差異，巖溶的相對位置和發育走向詳情如表1和表2所示。

通過上述統計結果可知，該隧道工程中的巖溶主要分布在隧道的拱頂、拱腰處，分布比例均在30%以上，拱腳和仰拱處的分布較少。在整個分布中，巖溶的發育主要是沿隧道縱向分布。巖溶的大小情況如表3所示。

2 巖溶發育特征

在上述勘測結果的基礎上，對該工程范圍內的巖溶發育特征進行分析，詳細分析結果如下：

2.1 巖溶發育的成層性以及向深性

巖溶發育期的不同會導致巖溶的形態存在差異，例如等級為Ⅰ、Ⅱ時，主要表現為垂向巖溶，其次存在水平巖溶；等級為Ⅲ、Ⅳ時，主要表現為水平巖溶，其次存在垂直巖溶，說明巖溶的發育和底殼變化、巖溶水的情況存在直接關系。文中研究的隧道工程中溶洞口向內彼此連接，一旦發生大量降水，地下水會通過中間溶洞流出；底殼不發生運動時，水平巖溶發育顯著、底殼發生運動時，垂直巖溶發育顯著，因此，體現了巖溶發育的向深性。

2.2 巖溶發育的不均勻性

對該隧道工程巖溶水文地質情況進行勘察后得出，巖溶的發育存在顯著的不均勻性，巖溶大小比例差距明顯，因此，巖溶發育和地質巖層特向、地質構造之間存在直接關聯，存在顯著的不均勻性。

2.3 巖溶發育的垂向分帶性

該隧道工程在近地表地帶，存在明顯的巖溶水交替循環現象，并且存在較多數量的大規模巖溶洞隙，同時地下深處地下水的交替運動較慢，只有小容隙和少數的容孔，形成明顯的垂直分帶特征，該特征的分帶圖如圖1所示。

通過圖1可看出，該隧道施工環境中，從地表向下主要包含垂向洞隙帶、水平管道帶以及深部空隙帶。

3 巖溶特征對施工安全的影響

通過上述小節的分析可知，巖溶存在多種特征，為保證隧道的安全施工，須精準掌握這些特征對施工安全的影響。文中通過FLAC3D軟件建立計算模型，分析巖溶特征對施工安全的影響，主要從兩個方向進行分析：一是對隧道開挖受力分布的影響，二是對隧道極限剪應力的影響。

FLAC3D軟件主要是以有限差分為基礎，對隧道塑性破壞過程進行更為精準地分析和模擬，確保分析結果的可靠性和合理性。有限差分法的核心是采用離散化方式對差分網格進行處理，完成非線性問題的簡化處理，使其形成導數問題，可降低運算復雜程度，同時保證問題結果的真實性。該軟件在分析過程中，主要針對隧道最大埋深施工段進行分析，該施工段中，隱伏巖溶較多，并且沿隧道縱向發育，其斷面主要為圓形或者橢圓形，絕大部分巖溶均屬于季節性干溶洞，降雨后會發生徑流水。分析時構建的隧道模型尺寸為100 m×150 m×2 m，埋深為100 m，隧道前后端以及地面均設置約束，其頂部為自由面，不對其施加荷載。設置的圍巖密度為2 400 kg/m3，彈性模量為12 GPa，泊松比為0.27，黏聚力為1.1，內摩擦角為45°，初期支護結構厚度為32 cm。通過上述參數設置后，進行巖溶地質特征對隧道施工安全的影響分析。

3.1 隧道開挖受力分布的影響

隧道開挖的過程中會涉及地下巖體和土壤的受力分布。在巖溶地質條件下，受力分布呈現出獨有的特征，對隧道設計和施工產生重大影響。隧道開挖后，拱頂通常會承受明顯的拉應力。這是因為在開挖過程中，巖層會失去原有的支撐，導致拱頂處的巖體出現拉應力，試圖抵抗拱頂坍塌的趨勢。同時，隧道底部周圍的圍巖會產生隆起，形成一定的壓力。這種受力分布是典型的隧道開挖現象，需要在設計中考慮拱頂和底部的支撐及加固，以確保施工的安全性。隧道開挖后，主應力通常會向兩側拱腳逐漸擴散。這是因為隧道的開挖會改變地下巖體的受力狀態，導致主應力重新分布。這種主應力的擴散可能會對隧道周圍的圍巖產生影響，因此需要在設計中預測和控制主應力的傳播路徑。

如果隧道開挖范圍內存在巖溶地質，情況會更加復雜。巖溶地質通常包括溶洞和地下空間，它們在隧道開挖過程中會表現出特殊的受力行為。溶洞底部可能會發生輕微的拉裂現象，而溶洞頂部和隧道拱頂可能會受到明顯的拉應力。此時，圍巖與溶洞之間的相互作用也需要特別關注，因為圍巖可能會發生明顯的位移。隧道開挖范圍內的巖溶特征距離隧道拱腰越近，受力分布可能會更為復雜。在這種情況下，應力較小，因此圍巖可能會集中對隧道側壁進行作用，導致隧道的變形。同時，拱頂處和邊墻處可能會受到較大的拉應力和壓應力。這需要在設計和施工中采取適當的措施來保持隧道的穩定性。巖溶地質條件下的隧道開挖需要精心設計和提前制定施工策略，包括考慮支護結構、圍巖加固、地下水的控制等方面。對巖溶地質特征的深入了解和建立合適的模型是至關重要的，以便能夠準確預測受力分布和圍巖行為。隧道開挖是一個風險高且復雜的工程任務，綜合風險管理是確保隧道工程成功完成的關鍵因素，包括定期監測巖體和圍巖的變化，及時采取措施來減輕潛在的風險，以確保施工的安全性和隧道的可靠性。有溶洞和無溶洞兩種情況下，拉應力的變化情況如圖2所示。

通過圖2的分析結果可知，隧道施工范圍內如果鄰近溶洞，會導致巖溶隧道受到的極限拉應力顯著提升，兩者距離越近，提升越顯著，即隧道的位移變形越顯著。因此，巖溶對于隧道施工會造成變形和位移的影響。

3.2 巖溶對隧道極限剪應力的影響

隧道在施工過程中，巖溶的存在會導致圍巖發生隆起，并且會形成剪切破壞，通過FLAC3D分析巖溶對隧道極限剪應力的影響。

實際工程施工時，圍巖會受到三向作用力，其極限剪切應變用ηf表示，實際工程三相作用力下的ηf會大于單向作用力下的極限剪切應變ηg，依據FLAC3D中彈性極限應變ηh，采用應變偏張量第二不變量進行表述，則ηh的計算公式為：

式中，σc、σ3——單軸抗壓強度和圍巖壓力；v——泊松比；E——彈性模量；φ——內摩擦角。

通過公式（1）可知，ηh會隨著σ3的增加而增加，并且ηf和ηh之間存在一定線性關聯，其公式為：

ηf=ηg+kσ3 （2）

式中，k——線性系數。

依據上述公式即可分析相對應圍巖級別和圍巖壓力下的極限剪切應變，并通過數值模擬計算進行分析，如果模型分析的剪切應變大于或者等于極限剪切應變，則表示隧道發生破壞；如果模型分析的剪切應變小于極限剪切應變，表示隧道施工較為安全，沒有發生破壞。

4 施工過程中巖溶隧道的探測方法

通過分析巖溶隧道的地質特征和受力分析，在施工巖溶隧道的過程中，結合相應的巖溶隧道探測方法，采取具體的防范措施，避免發生安全事故。

設計線路的優化避讓，某隧道工程線穿越山體外側的大型堆積體，需先加固堆積體再進行橋梁施工，安全風險大、費用高。優化線避讓堆積體，但現場調查發現隧道位于富水區，頂部存在5個大型的消水洞，最終選定最優線，既避讓了堆積體也避開了山體富水帶，預測單洞涌水量由210 000 m3/d降至80 000 m3/d。施工過程中未出現大量的涌水。從現場實際施工看，選線是非常正確的。

超前地質鉆探，是隧道施工期超前地質預測預報最直接、最有效的方法，也是對其他探測手段成果的驗證和補充，通過鉆孔鉆進速度及對巖芯的分析，以及相關試驗，獲取掌子面前方一定距離巖石的強度指標、地層巖性資料、地下水、巖溶等方面的資料。

隧道地震波反射法超前預報（TSP）是利用地震波在巖體傳播過程中，在聲阻抗界面會產生地震反射波，利用儀器設備采集隧道巖體中地震波傳播的信息，通過相關處理系統進行數據處理，結合已有的地質資料綜合分析，實現對隧道前方地質條件的推斷，達到地質超前預報的目的。通過計算機軟件分析前方圍巖性質、節理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況等，最終顯示屏上顯示各種圍巖構造界面與隧道軸線相交所呈現的角度及掌子面的距離，并可初步測定巖石的彈性模量、密度、泊松比等參數以供參考。某隧道超前地質鉆孔的具體應用，預測到了地下大型溶洞，與現場實際揭示的較為符合，為施工提供了可靠的依據，采取了相應的措施，避免了損失。

地質雷達是一種工程地球物理方法，被廣泛用于工程質量檢測、場地勘察以及隧道超前地質預報工作。以其高分辨率和強大的探測能力在地質領域備受青睞。該文將詳細探討地質雷達的原理、應用領域以及在深埋隧道、富水地層和溶洞發育地區的重要性。地質雷達工作原理類似于聲納，但它使用無線電波而不是聲波。地質雷達通過發射短脈沖的電磁波，然后測量這些波在地下反射的時間和強度。反射的波形提供了地下結構和地層變化的信息，包括土壤、巖石、水位和空隙等。因為地質雷達的工作頻率很高，所以它具有出色的分辨率，能夠探測到地下非常細小的特征。

在深埋隧道和富水地層的工程中，地質雷達具有獨特的優勢。這些地區通常存在復雜的地質條件，如高壓水位、斷裂帶、破碎帶等。地質雷達的高分辨率和強大的穿透能力使其成為一種非常有用的工具。地質雷達可用于確定地下水位、水文地質條件和含水帶的位置。這對于隧道施工和水文地質研究至關重要。在富水地層和斷裂帶區域，地質雷達可以識別地下的斷層帶。這有助于工程師采取適當的措施來應對地質變化和降低風險。在溶洞發育地區，地質雷達可以探測并識別地下空洞，這有助于規劃和施工過程中的安全性，以及防止隧道或其他工程受到不穩定地下空間的影響。地質雷達在深埋隧道、富水地層和溶洞發育地區的應用需要綜合風險管理，包括將地質雷達的信息與其他地質數據、實驗結果和工程方案相結合，以綜合評估潛在風險，并采取適當的措施來確保工程的成功。

5 結論

巖溶是我國分布較為廣泛的一種地質特征，其發育類型較多、分布情況較為復雜，對于隧道工程的施工安全會造成較大影響。在施工過程中，會導致隧道發生突水涌泥、坍塌、位移以及變形等情況，引發一系列的隧道施工安全問題。因此，隧道工程施工時，為保證施工安全，須對巖溶的地質特性進行相關分析，結合多種隧道巖溶的探測手段，掌握隧道地質特性，進而保證施工安全。文中以某地區的高速公路隧道工程為例，分析高速公路巖溶隧道的地質特征及相關的探測手段，并且通過模擬軟件，研究該特征對隧道施工過程中安全的影響，結合探測成果，采取相應的施工措施，為相關工程施工提供合理依據。

參考文獻

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